EP2114501B1 - Steuerventil für Beatmungsgeräte - Google Patents

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EP2114501B1
EP2114501B1 EP08702573.0A EP08702573A EP2114501B1 EP 2114501 B1 EP2114501 B1 EP 2114501B1 EP 08702573 A EP08702573 A EP 08702573A EP 2114501 B1 EP2114501 B1 EP 2114501B1
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EP
European Patent Office
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valve
rotary vane
valve according
cone
casing
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP08702573.0A
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English (en)
French (fr)
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EP2114501A2 (de
Inventor
Harri Friberg
Jakob DÄSCHER
Michael Wirth
Felix Kramer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Imtmedical AG
Original Assignee
Imtmedical AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Imtmedical AG filed Critical Imtmedical AG
Publication of EP2114501A2 publication Critical patent/EP2114501A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2114501B1 publication Critical patent/EP2114501B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
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    • A61M16/20—Valves specially adapted to medical respiratory devices
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61M16/202—Controlled valves electrically actuated
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    • A61M16/202—Controlled valves electrically actuated
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    • A61M16/0057—Pumps therefor
    • A61M16/0066—Blowers or centrifugal pumps
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    • A61M16/0003—Accessories therefor, e.g. sensors, vibrators, negative pressure
    • A61M2016/0027—Accessories therefor, e.g. sensors, vibrators, negative pressure pressure meter

Definitions

  • the invention relates to a valve for the flow control and regulation of a ventilator, wherein the valve has a housing and a rotary valve arranged rotatably about its longitudinal axis and wherein at least one passage opening is completely or partially closed by turning the rotary valve and the rotary valve with a a conically shaped support surface of the housing cooperating, conical sealing surface and the passage opening is arranged in the region of the sealing surface.
  • Ventilators are used in both inpatient (e.g., hospital or home care) and mobile (e.g., ambulance) environments. It is very important that these devices work reliably and trouble-free. In order to avoid disturbances of the environment when operating such devices, these devices must also be as quiet as possible during operation.
  • valve From the US 6,615,831 is a respirator with 3/2-way valve known.
  • the valve has a by means of a solenoid axially displaceable spool, which opens in its end positions passages for the coming of a pressure generator respiratory air, and this closes and simultaneously opens separate passages to allow a minimum air consumption for the pressure generator.
  • this valve is very dependent on the position and, as a result of the required axial movement of the spool radial clearance, in the closed state also leaking.
  • the EP 1 177 810 B1 shows a valve with a rotatable about its longitudinal axis rotary valve. This has at its periphery at least one longitudinal slot which can be brought into coincidence with corresponding openings of the housing part surrounding the slider. At the free end of the rotary valve, a control curve is also attached, through which the openings can be exposed only partially.
  • This valve also has the disadvantage that it is never fully sealed in the closed state. To ensure the dynamics of the valve, the rotary valve must be fitted with a certain radial clearance in the housing part. Due to the resulting annular gap, a part of the breathing air can escape and thus adversely affect the desired dosage.
  • a valve or a slider for gases and other fluids known.
  • This has a housing with a conical seat and a frustoconical, externally actuated by rotation valve body.
  • passage openings in the conical seat of the housing are made to coincide with openings on the valve body, thus allowing the medium to flow through the valve.
  • Due to the large-area support of the valve body in the conical seat however, a relatively high frictional resistance, which has a detracting effect on the operation and prevents dynamic control of the valve.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a ventilator, or a valve for a ventilator, which is reliable, has a low flow resistance, is characterized by a high degree of dynamics and allows a high degree of tightness of the valve in the closed state.
  • this is achieved in that the rotary valve is supported on the housing in the axial direction via a central point support, preferably a ball arranged in the longitudinal center axis.
  • a point bearing between the rotary valve and the housing results in low friction losses and thus enables a high dynamics of the valve by means of small actuating forces and moments.
  • the conical sealing surface of the rotary valve is pressed when closing the valve by the pressure of the respiratory, or exhalation air against the sealing surface. Leakage losses are practically avoided. Wear of the rotary valve and the corresponding support surface due to wear are automatically compensated.
  • the cone of the sealing surface is advantageously formed counter to the flow direction tapered. When the cone flows through the respiratory or exhalation air This results in a uniform distribution of the air flow in the valve and thus a relatively low flow resistance.
  • the cone angle of the sealing surface is expediently between 60 ° and 120 °, preferably about 90 °. This angular range enables a relatively short and compact construction of the valve. Said angle range also results in favorable flow conditions and largely avoiding turbulence.
  • the passage openings are expediently designed so that the flow cross section during rotation of the rotary valve progressively decreases in the closing direction, and / or that more passage openings are provided ..
  • At the end of the closing process there is only a small passage cross section, so that when the valve is completely closed, pressure surges in System are largely avoided.
  • these may vary in size, with the size of the holes becoming smaller toward the end of the closing process. The same effect can be achieved in that a plurality of holes are arranged side by side in the radial direction and decreases the number of radially juxtaposed holes against the end of the closing process.
  • the passages are advantageously formed in the closing direction of the rotary valve wedge-shaped tapered.
  • the shape of the wedge can cause the remaining flow cross section to be reduced or increased faster or slower when closing the valve.
  • the edges of the wedge-shaped passage opening are preferably formed bent.
  • the bevel radius of the cooperating sealing surfaces of the housing and / or the rotary valve constantly increases in proportion to the closing direction of the valve over parts of the circumference.
  • the contiguous sealing surfaces of the rotary valve and the housing are therefore not accurate conical surfaces, but soft according to this particular Design slightly from a conical surface.
  • the sealing surfaces are based on each other flat and give a very high seal.
  • a further advantageous embodiment is that the passage openings of the housing are surrounded on the opposite side of the rotary valve by a bead, wherein the edge height of the bead is increasing towards the closed position of the valve.
  • a flat seal is also created.
  • the rotary valve lifts off the bead and there is also an additional sealing gap.
  • the control valve is advantageously controlled proportionally via an actuator, preferably via a stepper motor.
  • an actuator preferably via a stepper motor.
  • a releasable elastic coupling Between the rotary valve and the actuator is advantageously arranged a releasable elastic coupling. This coupling allows a backlash-free transmission of the rotational movement from the actuator to the rotary valve. At the same time a possible misalignment can be compensated.
  • the rotary valve For an automatic return to its initial position of the rotary valve is expediently rotated against the restoring force of at least one torsion spring. In the de-energized state of the rotary drive thus there is a defined starting position. In the event of a power failure, the valve is thus preferably automatically in the fully open position, so that the natural respiration of the patient is not hindered.
  • the inventive valve is advantageously used in an automatic ventilator for artificial respiration, or support the ventilation of a patient, with an air inlet, an air source at least a proportionally adjustable control valve and sensors for measuring the pressure and the flow to control the valve.
  • the air source in such a ventilator is conveniently designed as a fan rotating at a constant speed throughout an entire breathing cycle.
  • a fan is characterized by a quiet running and a low noise level.
  • the regulation of ventilation is carried out by controlling the valves.
  • FIG. 1 schematically illustrated, provided for protection with a casing 10 ventilator has an air inlet 1 and an air source 2.
  • the air source 2 is preferably designed as a blower or compressor.
  • an air source 2 but also an internal or external pressure accumulator or an external compressed air supply can be used.
  • a regulatable inspiratory control valve 3a In the upper inhalation of a patient serving strand is a regulatable inspiratory control valve 3a, a flow sensor 4a for inhalation and a pressure sensor 5a for inhalation arranged at the end of this strand leads an inhalation tube 6 to the patient.
  • An exhalation tube 7 leads from the patient back into the casing 10.
  • the expiratory controlling strand is also an exhalation pressure sensor 5b, an expiratory flow sensor 4b and a regulatable expiratory control valve 3b arranged.
  • the measured values of the flow and pressure sensors are continuously supplied to a controller 8, where they serve to control the control valves 3a, 3b for the inhalation or exhalation of the patient.
  • the exhaled breathing air passes through an air outlet 9 to the outside.
  • the ventilator can be powered directly from an external power supply or from an internal or extreme battery.
  • the from the Fig. 3 to 4 apparent embodiment of a control valve according to the invention consists of a housing 11 with a rotatably mounted therein rotary valve 12.
  • the housing 11 has a lateral inlet port 11a and an axial direction of the rotary valve 12 subsequent outlet nozzle 11b.
  • Between the inlet port 11a and the outlet port 11b is an intermediate wall 11c.
  • the intermediate wall 11c is cone-shaped and includes a cone angle of about 90 °.
  • the intermediate wall 11c is provided with wedge-shaped passage openings 11d.
  • the rotary valve 12 consists of a tubular shaft 12a and a funnel 12b connected thereto. The inside of the funnel 12b, together with a support surface 11f on the intermediate wall 11c of the housing 11, a sealing surface 12c, which in the in Fig. 4 illustrated closed state of the valve, the passage openings 11d closes.
  • Fig. 2 shows, the rotary valve 12 is centrally supported in the axial direction via a ball 13 on the housing 11.
  • the ball 13 results in both parts 11, 12 a central point support in the region of the longitudinal central axis and thus allows a very low friction.
  • the torsion spring 14 supports the sealing of the rotary valve 12 by the funnel 12 b is pressed in the axial direction against the intermediate wall 11 c.
  • a lid 15 is connected to the outlet 11 b side opposite to the housing 11.
  • a preferably designed as an O-ring sealing ring 16 serves to seal the lid 15th
  • the stepping motor 17 is used for the rotary drive of the rotary valve 12 by means of a drive shaft 17a.
  • the stepping motor 17 is used for the rotary drive of the rotary valve 12 by means of a drive shaft 17a.
  • a constant speed air source for example a fan
  • the entire dynamics of the breathing cycle can therefore be achieved alone with the control valves.
  • Longitudinally oriented guide vanes 11 e are intended to prevent swirling of the flow in the valve. However, these guide vanes are optional and can therefore be omitted.
  • the passage openings 11d are wedge-shaped with curved edges. This allows a certain, eg progressive closing or opening characteristic of the valve. In particular, it can also pressure peaks degraded, or prevented.
  • the rotary valve 12 by the force of the torsion spring 14 in the In Fig. 4 rotated shown closed position.
  • the passage openings 11d can also be opened only partially by a smaller pivoting angle of the rotary valve 12.
  • the passage openings 11d are surrounded by a bead 11g.
  • the edge height of the bead 11g is preferably increasing in the closing direction.
  • a ramp for the rotary valve 12 is formed thereby a particularly good sealing is achieved in the closed state of the valve
  • the rotary valve 12 can lift off the bead 11g, so that an additional sealing gap is opened and the flow rate of the valve is increased.
  • Fig. 5 to 7 apparent valve corresponds functionally substantially from the Fig. 2 to 4 shown embodiment and also consists of a housing 31 and a rotatably mounted therein rotary valve 32.
  • Side of the housing 31 is an inlet connection 31 is formed.
  • An outlet nozzle 31 b is arranged coaxially to the longitudinal axis of the rotary valve 32.
  • Between the inlet nozzle 31 a and the outlet nozzle 31 b is a conical intermediate wall 31 c.
  • the intermediate wall 31c forms a support surface 31f for the rotary valve 32.
  • the rotary valve 32 has a substantially cylindrical shaft 32a and a funnel 32b connected thereto. In the region of the funnel 32b sealing surfaces 32c are arranged, which together with the support surfaces 31f form a planar seal.
  • the rotary valve 32 is point-shaped supported on a centrally arranged ball 33 on the housing 31 and is thus rotated against a very low resistance.
  • a torsion spring 34 holds the rotary valve 32 in the in Fig. 5 illustrated starting position.
  • passage openings 31d of the housing 31 are fully opened and allow passage of the valve.
  • the passage openings 31 d are formed as a plurality of individual holes in this embodiment. In this case, the holes are arranged so that the flow cross-section also decreases progressively in the closing direction.
  • the rear end of the valve is closed by a cover 35.
  • a sealing ring 36 is provided for sealing between the housing 31 and the lid 35.
  • a cooperating with the shaft 32a of the rotary valve 32 shaft seal 39 prevents leakage of the ventilation air and at the same time the penetration of foreign substances.
  • the sealing surface 32c and the support surface 31f on the circumference of a variable bevel radius r / R, which increases continuously against the closing direction.
  • the pitch angle of the radius change is preferably about 3 °. It can thereby be achieved that in the closed state of the valve, the ball 33 is lifted from the point support and the sealing surfaces are pressed fully axially against each other. As a result, a high sealing of the valve is achieved in the closed state.
  • Both the housing 11, 31 and the rotary valve 12, 32 are preferably made of plastic.
  • Plastics have a relatively low specific weight and thus give a low weight of the moving parts, in particular the rotary valve 12, 32. This in turn allows a high dynamics of movement of these parts.
  • Another advantage of plastics is that they are durable and very well sterilizable.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Ventil für die Durchfluss-Steuerung und -Regulierung eines Beatmungsgerätes, wobei das Ventil ein Gehäuse und einen darin um seine Längsachse verdrehbar angeordneten Drehschieber aufweist und wobei durch Verdrehen des Drehschiebers wenigstens eine Durchtrittsöffnung ganz oder teilweise verschliessbar ist und der Drehschieber eine mit einer korrespondierend ausgebildeten Stützfläche des Gehäuses zusammenwirkende, kegelförmige Dichtfläche aufweist und die Durchtrittsöffnung im Bereich der Dichtfläche angeordnet ist.
  • Beatmungsgeräte werden sowohl im stationären (z.B. Klinik- oder Heimbereich) als auch im mobilen Bereich (z.B. Rettungsdienst) eingesetzt. Dabei ist es sehr wichtig, dass diese Geräte zuverlässig und störungsfrei arbeiten. Um Störungen der Umgebung beim Betreiben von solchen Geräten zu vermeiden, müssen diese Geräte im Betrieb auch möglichst leise sein.
  • Aus der US 6,615,831 ist ein Beatmungsgerät mit 3/2-Weg-Ventil bekannt. Das Ventil weist einen mittels einer Magnetspule axial verschiebbaren Steuerschieber auf, der in seinen Endstellungen Durchtrittsöffnungen für die von einem Druckgenerator stammende Beatmungsluft öffnet, bzw. diese verschliesst und gleichzeitig separate Durchtrittsöffnungen öffnet, um einen minimalen Luftverbrauch für den Druckgenerator zu ermöglichen. Dieses Ventil ist jedoch sehr stark lageabhängig und, infolge des für die axiale Beweglichkeit des Steuerschiebers erforderlichen Radialspiels, im geschlossenen Zustand auch undicht.
  • Die EP 1 177 810 B1 zeigt ein Ventil mit einem um seine Längsachse verdrehbaren Drehschieber. Dieser weist an seinem Umfang wenigstens einen Längsschlitz auf, der mit entsprechenden Öffnungen des den Schieber umgebenden Gehäuseteils zur Deckung gebracht werden kann. An der freien Stirnseite des Drehschiebers ist ausserdem eine Steuerkurve angebracht, durch welche die Öffnungen auch nur teilweise freigelegt werden können. Dieses Ventil weist ebenfalls den Nachteil auf, dass es in geschlossenem Zustand nie völlig dicht ist. Um die Dynamik des Ventils zu gewährleisten, muss der Drehschieber mit einem gewissen Radialspiel in das Gehäuseteil eingepasst werden. Durch den dabei entstehenden Ringspalt kann ein Teil der Atemluft entweichen und somit die gewünschte Dosierung negativ beeinflussen.
  • Aus der GB 288 403 ist ein Ventil, bzw. ein Schieber für Gase und andere Fluids bekannt. Dieses weist ein Gehäuse mit einem Kegelsitz und einen kegelstumpfförmigen, von aussen durch Verdrehen betätigbaren Ventilkörper auf. Beim Verdrehen des Ventilkörpers werden Durchtrittsöffnungen im Kegelsitz des Gehäuses mit Öffnungen am Ventilkörper zu Deckung gebracht und somit ein Durchströmen des Mediums durch das Ventil ermöglicht. Durch die grossflächige Auflage des Ventilkörpers im Kegelsitz entsteht jedoch ein relativ hoher Reibungswiderstand, der sich auf die Betätigung hindernd auswirkt und eine dynamische Steuerung des Ventils verhindert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Beatmungsgerät, bzw. ein Ventil für ein Beatmungsgerät zu schaffen, das betriebssicher ist, einen geringen Durchflusswiderstand aufweist, sich durch eine hohe Dynamik auszeichnet und in geschlossenem Zustand eine hohe Dichtheit des Ventils ermöglicht.
  • Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass der Drehschieber in axialer Richtung über eine zentrale Punktauflage, vorzugsweise eine in der Längsmittelachse angeordnete Kugel auf dem Gehäuse abgestützt ist. Eine Punktauflage zwischen dem Drehschieber und dem Gehäuse ergibt geringe Reibungsverluste und ermöglicht dadurch mittels kleinen Stellkräften und -Momenten eine hohe Dynamik des Ventils. Durch die kegelförmige Dichtfläche wird der Drehschieber beim Verschliessen des Ventils durch den Überdruck der Beatmungs-, bzw. Ausatmungsluft gegen die Dichtfläche gepresst. Leckverluste werden dadurch praktisch vermieden. Abnützungen des Drehschiebers und der korrespondierenden Stützfläche infolge Verschleiss werden automatisch kompensiert.
  • Der Kegel der Dichtfläche ist vorteilhaft sich entgegen der Durchflussrichtung verjüngend ausgebildet. Beim Anströmen des Kegels durch die Beatmungs-, bzw. Ausatmungsluft entsteht dadurch eine gleichmässige Verteilung des Luftstroms im Ventil und somit ein relativ geringer Durchflusswiderstand.
  • Der Kegelwinkel der Dichtfläche beträgt zweckmässigerweise zwischen 60° und 120°, vorzugsweise etwa 90°. Durch diesen Winkelbereich wird eine relativ kurze und kompakte Bauweise des Ventils ermöglicht. Der genannte Winkelbereich ergibt auch günstige Strömungsverhältnisse und weitgehende Vermeidung von Turbulenzen.
  • Die Durchtrittsöffnungen sind zweckmässigerweise so ausgebildet, dass sich der Durchflussquerschnitt beim Verdrehen des Drehschiebers in Schliessrichtung progressiv verkleinert, und/oder dass mehrere Durchtrittsöffnungen vorgesehen sind.. Zum Ende des Schliessvorganges hin besteht nur noch ein kleiner Durchgangsquerschnitt, sodass beim völligen Schliessen des Ventils Druckschläge im System weitgehend vermieden werden. Bei mehreren Bohrungen können diese in der Grösse unterschiedlich sein, wobei die Grösse der Bohrungen gegen Ende des Schliessvorganges kleiner wird. Der gleiche Effekt kann dadurch erzielt werden, dass in radialer Richtung mehrere Bohrung nebeneinander angeordnet werden und die Anzahl der radial nebeneinander angeordneten Bohrungen gegen das Ende des Schliessvorganges abnimmt.
  • Die Durchtrittsöffnungen sind vorteilhaft in Schliessrichtung des Drehschiebers sich keilförmig verjüngend ausgebildet. Durch die Form des Keils kann bewirkt werden, dass sich der verbleibende Durchflussquerschnitt beim Schliessen des Ventils schneller oder langsamer verkleinert, bzw. vergrössert. Die Ränder der keilförmigen Durchtrittsöffnung sind vorzugsweise gebogen ausgebildet.
  • Um eine hohe Dynamik und eine gute Abdichtung des Ventils in geschlossenem Zustand zu erreichen, ist es zweckmässig, dass sich der Kegelradius der miteinander zusammenwirkenden Dichtflächen des Gehäuses und/oder des Drehschiebers) entgegen der Schliessrichtung des Ventils über Teile des Umfanges konstant vergrössert. Die aneinander liegenden Dichtflächen des Drehschiebers und des Gehäuses sind also keine genauen Kegelflächen, sondern weichen gemäss dieser besonderen Ausgestaltung geringfügig von einer Kegelfläche ab. Im geschlossenen Zustand des Ventils stützen sich die Dichtflächen flächig aufeinander ab und ergeben eine sehr hohe Abdichtung. Beim Öffnen des Ventils entsteht ein Dichtspalt, der den Durchtrittsquerschnitt zusätzlich vergrössert und somit einen höheren Durchfluss durch das Ventil ermöglicht.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht darin, dass die Durchtrittsöffnungen des Gehäuses auf der dem Drehschieber gegenüberliegenden Seite von einem Wulst umgeben sind, wobei die Randhöhe des Wulstes gegen die Schliessstellung des Ventils hin zunehmend ist. Dabei entsteht bei geschlossenem Zustand des Ventils ebenfalls eine flächige Abdichtung. Beim Öffnen des Ventils hebt der Drehschieber vom Wulst ab und es entsteht ebenfalls ein zusätzlicher Dichtspalt.
  • Das Steuerventil wird vorteilhaft über ein Stellglied, vorzugsweise über einen Schrittmotor proportional angesteuert. Somit gibt es im Betrieb des Ventils nicht nur zwei Endstellungen des Ventils, nämlich "offen" oder "zu" , sondern es können je nach Bedarf beliebige Zwischenstellungen angesteuert werden.
  • Zwischen dem Drehschieber und dem Stellglied ist vorteilhaft eine lösbare, elastische Kupplung angeordnet. Diese Kupplung ermöglicht eine spielfreie Übertragung der Rotationsbewegung vom Stellglied auf den Drehschieber. Gleichzeitig kann ein allfälliger Achsversatz ausgeglichen werden.
  • Für eine automatische Rückstellung in seine Ausgangslage ist der Drehschieber zweckmässigerweise gegen die Rückstellkraft wenigstens einer Torsionsfeder verdrehbar. Im stromlosen Zustand des Drehantriebs besteht somit eine definierte Ausgangslage. Bei einem Stromausfall ist bzw. geht das Ventil somit vorzugsweise automatisch in voll geöffneter Stellung, sodass die natürliche Atmung des Patienten nicht behindert wird.
  • Das erfindungsgemässe Ventil wird vorteilhaft in einem automatischen Beatmungsgerät zur künstlichen Beatmung, bzw. Unterstützung der Beatmung eines Patienten, mit einem Lufteingang, einer Luftquelle wenigstens einem proportional regulierbaren Steuerventil sowie Sensoren zur Messung des Drucks und des Durchflusses zur Ansteuerung des Ventils verwendet.
  • Die Luftquelle in einem derartigen Beatmungsgerät ist zweckmässigerweise als ein über einen gesamten Atemzyklus mit konstanter Drehzahl rotierendes Gebläse ausgebildet. Ein solches Gebläse zeichnet sich durch eine hohe Laufruhe sowie einen geringen Geräuschpegel aus. Die Regulierung der Beatmung erfolgt dabei durch die Ansteuerung der Ventile.
  • Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Figuren und in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Bezugszeichenliste ist, so wie die Anspruchsfassung, Bestandteil der Offenbarung.
  • Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indizes geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.
  • Anhand von Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert.
  • Es zeigen dabei:
    • Fig. 1
    ein erfindungsgemässes Beatmungsgerät, schematisch dargestellt,
    Fig. 2
    eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Ventils mit kegelförmigem Ventilsitz, im Längsschnitt dargestellt,
    Fig. 3
    einen Querschnitt durch das in Fig. 2 dargestellte Ventil, entlang der Schnittlinie A-A, In geöffnetem Zustand,
    Fig. 4
    einen Querschnitt analog Fig. 3, in geschlossenem Zustand,
    Fig. 5
    einen Querschnitt entlang der Schnittlinie C - C in Fig. 10 durch eine weitere Ausführung eines erfindungsgemässen Ventils, Im geöffneten Zustand,
    Fig. 6
    das Ventil gemäss Fig. 5, in geschlossenem Zustand und
    Fig. 7
    einen Längsschnitt durch das aus Fig. 5 und 6 ersichtliche Ventil.
  • Das in Fig. 1 schematisch dargestellte, zum Schutz mit einer Verschalung 10 versehene Beatmungsgerät weist einen Lufteingang 1 und eine Luftquelle 2 auf. Die Luftquelle 2 ist vorzugsweise als Gebläse oder Kompressor ausgebildet. Als Luftquelle 2 kann aber auch ein interner oder externer Druckspeicher oder eine externe Druckluftversorgung verwendet werden. Im oberen, der Einatmung eines Patienten dienenden Strangs ist ein regulierbares Einatmungs-Steuerventil 3a, ein Durchluss-Sensor 4a für die Einatmung und ein Druck-Sensor 5a für die Einatmung angeordnet Am Ende dieses Strangs führt ein Einatmungsschlauch 6 zum Patienten. Ein Ausatmungsschlauch 7 führt vom Patienten zurück in die Verschalung 10. In diesem unteren, die Ausatmung steuernden Strang ist ebenfalls ein Druck-Sensor 5b für die Ausatmung, ein Durchfluss-Sensor 4b für die Ausatmung und ein regulierbares Ausatmungs-Steuerventil 3b angeordnet. Die Messwerte der Durchfluss- und Druck-Sensoren werden laufend einer Steuerung 8 zugeführt, wo sie zur Regelung der Steuerventile 3a, 3b für die Einatmung, bzw. Ausatmung des Patienten dienen. Schliesslich gelangt die ausgeatmete Atemluft über einen Luftaustritt 9 ins Freie.
  • Das Beatmungsgerät kann direkt an einem externen Stromnetz oder durch eine interne oder extreme Batterie betrieben werden.
  • Die aus den Fig. 3 bis 4 ersichtliche Ausführung eines erfindungsgemässen Steuerventils besteht aus einem Gehäuse 11 mit einem darin drehbar gelagerten Drehschieber 12. Das Gehäuse 11 weist einen seitlichen Eintrittstutzen 11a und einen In axialer Richtung an den Drehschieber 12 anschliessenden Austrittsstutzen 11b auf. Zwischen dem Eintrittstutzen 11a und dem Austrittstutzen 11b befindet sich eine Zwischenwand 11c. Die Zwischenwand 11c ist kegelförmig ausgebildet und schliesst einen Kegelwinkel von ca. 90° ein. Die Zwischenwand 11c ist mit keilförmig ausgebildeten Durchtrittsöffnungen 11d versehen. Der Drehschieber 12 besteht aus einem rohrförmigen Schaft 12a und einem damit verbundenen Trichter 12b. Die Innenseite des Trichters 12b bildet zusammen mit einer Stützfläche 11f an der Zwischenwand 11 c des Gehäuses 11 eine Dichtfläche 12c, welche in dem in Fig. 4 dargestellten geschlossenen Zustand des Ventils die Durchtrittsöffnungen 11d verschliesst.
  • Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist der Drehschieber 12 in axialer Richtung über eine Kugel 13 auf dem Gehäuse 11 zentrisch abgestützt. Die Kugel 13 ergibt an beiden Teilen 11, 12 eine zentrale Punktauflage im Bereich der Längsmittelachse und ermöglicht somit eine sehr geringe Reibung.
  • Eine Torsionsfeder 14, welche den Schaft 12a des Drehschiebers 12 umgibt, dient dazu, den Drehschieber 12 im stromlosen Zustand des Ventils in einer definierten Ausgangslage zu halten. (z.B. "offen" oder "zu"). Zudem unterstützt die Torsionsfeder 14 das Dichthalten des Drehschiebers 12, indem der Trichter 12b in axialer Richtung gegen die Zwischenwand 11c gedrückt wird. Ein Deckel 15 ist auf der dem Austrittstutzen 11 b gegenüberliegenden Seite mit dem Gehäuse 11 verbunden. Ein vorzugsweise als O-Ring ausgebildeter Dichtring 16 dient zur Abdichtung des Deckels 15.
  • Am Deckel 15 ist ein als Stellantrieb dienender Schrittmotor 17 befestigt. Der Schrittmotor 17 dient dem Drehantrieb des Drehschiebers 12 mittels einer Antriebswelle 17a. Beim Schliessen des Ventils entsteht hinter dem Ventil ein Überdruck, welcher den Trichter 12b, bzw. die Dichtfläche 12c des Drehschiebers 12, axial gegen die Stützfläche 11f des Gehäuses 11 presst. Dadurch entstehen praktisch keine Leckverluste. Dies ermöglicht das Betreiben einer beispielsweise als Gebläse ausgebildeten Luftquelle mit konstanter Drehzahl über einen kompletten Atemzyklus, bestehend aus Einatmung und Ausatmung. Die gesamte Dynamik des Atemzyklusses kann demnach alleine mit den Steuerventilen erreicht werden. In Längsrichtung ausgerichtete Leitflügel 11 e sollen eine Verwirbelung der Strömung im Ventil verhindern. Diese Leitflügel sind jedoch fakultativ und können somit auch entfallen.
  • Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die Durchtrittsöffnungen 11d keilförmig mit gebogenen Rändern ausgebildet. Dies ermöglicht eine bestimmte, z.B. progressive Schliess-, bzw. -Öffnungs-Charakteristik des Ventils. Insbesondere können damit auch Druckspitzen abgebaut, bzw. verhindert werden. Zum Schliessen des Ventils wird der Drehschieber 12 durch die Kraft der Torsionsfeder 14 in die In Fig. 4 dargestellte geschlossene Position verdreht. Je nach Luftbedarf können die Durchtrittsöffnungen 11d durch einen geringeren Schwenkwinkel des Drehschiebers 12 auch nur teilweise geöffnet werden.
  • Die Durchtrittsöffnungen 11d sind von einem Wulst 11g umgeben. Die Randhöhe des Wulstes 11g ist vorzugsweise In Schliessrichtung zunehmend. Somit wird eine Auflaufschräge für den Drehschieber 12 gebildet Dadurch wird in geschlossenem Zustand des Ventils eine besonders gute Abdichtung erreicht Beim Öffnen des Ventils kann der Drehschieber 12 vom Wulst 11g abheben, sodass ein zusätzlicher Dichtspalt geöffnet und der Durchsatz des Ventils vergrössert wird.
  • Das aus den Fig. 5 bis 7 ersichtliche Ventil entspricht funktionell im wesentlichen der aus den Fig. 2 bis 4 gezeigten Ausführung und besteht ebenfalls aus einem Gehäuse 31 und einem darin drehbar gelagerten Drehschieber 32. Seitlich am Gehäuse 31 ist ein Eintrittsstutzen 31 angeformt. Ein Austrittsstutzen 31 b ist koaxial zur Längsachse des Drehschiebers 32 angeordnet. Zwischen dem Eintrittsstutzen 31 a und dem Austrittsstutzen 31 b befindet sich eine kegelförmige Zwischenwand 31c. Die Zwischenwand 31c bildet eine Stützfläche 31f für den Drehschieber 32. Der Drehschieber 32 weist einen im wesentlichen zylindrischen Schaft 32a und einen damit verbundenen Trichter 32b auf. Im Bereich des Trichters 32b sind Dichtflächen 32c angeordnet, welche zusammen mit den Stützflächen 31f eine flächige Abdichtung bilden.
  • Der Drehschieber 32 ist über eine zentral angeordnete Kugel 33 punktförmig auf dem Gehäuse 31 abgestützt und ist somit gegen einen sehr geringen Widerstand verdrehbar. Eine Torsionsfeder 34 hält den Drehschieber 32 In der in Fig. 5 dargestellten Ausgangsstellung. Dabei sind Durchtrittsöffnungen 31d des Gehäuses 31 voll geöffnet und ermöglichen Durchströmen des Ventils. Im Unterschied zu der aus Fig. 2 bis 4 ersichtlichen Ausführung, welche auf beiden Seiten nur eine einzige, keilförmige Durchtrittsöffnung (11d) aufweist, sind bei dieser Ausführung die Durchtrittsöffnungen 31 d als eine Vielzahl einzelner Bohrungen ausgebildet. Dabei sind die Bohrungen so angeordnet, dass sich der Durchflussquerschnitt ebenfalls in Schliessrichtung progressiv verkleinert.
  • Das rückwärtige Ende des Ventils wird durch einen Deckel 35 abgeschlossen. Zur Abdichtung zwischen dem Gehäuse 31 und und dem Deckel 35 ist ein Dichtring 36 vorgesehen. Eine mit dem Schaft 32a des Drehschiebers 32 zusammenwirkende Wellendichtung 39 verhindert Leckverluste der Beatmungsluft und gleichzeitig das Eindringen von Fremdstoffen.
  • Der Drehschieber 32 wird ebenfalls über einen beispielsweise als Schrittmotor 37 ausgebildet Stellantrieb angetrieben. Die Antriebswelle 37a des Schrittmotors 37 ist dabei Ober eine lösbare, elastische Kupplung 38 mit dem Drehschieber 32 verbunden. Die Flexibilität der Kupplung 38 ergibt wenigstens drei vorteilhafte Effekte:
    1. 1. die Rotation wird vom Schrittmotor 37 spielfrei auf den Drehschieber 32 übertragen.
    2. 2. ein allfälliger Achsversatz zwischen dem Schrittmotor 37 und dem Drehschieber wird ausgeglichen und
    3. 3. die Kupplung kann eine zusätzliche axiale Kraft aufbringen, die dazu führt, dass das drehschieberseitige Ende der Kupplung 38 stets satt in der Aufnahme der Drehschiebers 32 anliegt.
  • Im Unterschied zu der aus Fig. 2 bis 4 ersichtlichen Ausführung, bei der die Stützfläche 11f und die Dichtfläche 12c als exakter Kegel ausgebildet sind, weisen die Dichtfläche 32c und die Stützfläche 31f über den Umfang einen variablen Kegelradius r / R auf, der sich entgegen der Schliessrichtung kontinuierlich vergrössert. Der Steigungswinkel der Radiusänderung beträgt vorzugsweise ca. 3°. Dadurch kann erreicht werden, dass in geschlossenem Zustand des Ventils die Kugel 33 von der Punktauflage abgehoben und die Dichtflächen voll axial gegeneinander gepresst werden. Dadurch wird eine hohe Abdichtung des Ventils in geschlossenem Zustand erreicht.
  • Sowohl das Gehäuse 11, 31 als auch der Drehschieber 12, 32 bestehen vorzugsweise aus Kunststoff. Kunststoffe weisen ein relativ geringes spezifisches Gewicht auf und ergeben somit ein geringes Eigengewicht der beweglichen Teile, insbesondere des Drehschiebers12, 32. Dies wiederum ermöglich eine hohe Dynamik der Bewegung dieser Teile. Ein weitere Vorteil der Kunststoffe besteht darin, dass sie dauerhaft und sehr gut sterilisierbar sind.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lufteingang
    2
    Luftquelle
    3a
    Einatmungs-Steuerventil
    3b
    Ausatmungs-Steuerventil
    4a
    Durchfluss-Sensor für Beatmung
    4b
    Durchfluss-Sensor für Ausatmung
    5a
    Druck-Sensor für Beatmung
    5b
    Druck-Sensor für Ausatmung
    6
    Beatmungsschlauch
    7
    Ausatmungsschlauch
    8
    Steuerung
    9
    Luftaustritt
    10
    Verschalung
    11
    Gehäuse
    11a
    Eintrittstutzen
    11b
    Austrittstutzen
    11c
    Zwischenwand
    11d
    Durchtrittsöffnungen
    11e
    Leitflügel
    11f
    Stützfläche
    11g
    Wulst
    12
    Drehschieber
    12a
    Schaft
    12b
    Trichter
    12c
    Dichtfläche
    13
    Kugel
    14
    Torsionsfeder
    15
    Deckel
    16
    Dichtring
    17
    Schrittmotor
    17a
    Antriebswelle
    31
    Gehäuse
    31a
    Eintrittstutzen
    31b
    Austrittsstutzen
    31c
    Zwischenwand
    31d
    Durchtrittsöffnungen
    31f
    Stützfläche
    32
    Drehschieber
    32a
    Schaft
    32b
    Trichter
    32c
    Dichtfläche
    33
    Kugel
    34
    Torsionsfeder
    35
    Deckel
    36
    Dichtring
    37
    Schrittmotor
    37a
    Antriebswelle
    38
    Kupplung
    39
    Wellendichtring

Claims (12)

  1. Ventil für die Durchfluss-Steuerung und -Regulierung eines Beatmungsgerätes (1), wobei das Ventil ein Gehäuse (11) und einen darin um seine Längsachse verdrehbar angeordneten Drehschieber (12) aufweist und wobei durch Verdrehen des Drehschiebers (12) wenigstens eine Durchtrittsöffnung (11d) ganz oder teilweise verschliessbar ist, wobei der Drehschieber (12) eine mit einer korrespondierend ausgebildeten Stützfläche (11f) des Gehäuses (11) zusammenwirkende, kegelförmige Dichtfläche (12c) aufweist und die Durchtrittsöffnung (11d) im Bereich der Dichtfläche (11f) angeordnet Ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (12) in axialer Richtung Ober eine zentrale Punktauflage, vorzugsweise eine in der Längsmittelachse angeordnete Kugel (13), auf dem Gehäuse (11) abgestützt ist.
  2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegel der Dichttläche (12c) sich entgegen einer Durchflussrichtung verjüngend ausgebildet ist.
  3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel der Dichtfläche zwischen 60° und 120°, vorzugsweise etwa 90° beträgt.
  4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (11 d) so ausgebildet ist, dass sich der Durchflussquerschnitt beim Verdrehen des Drehschiebers (12) in Schliessrichtung progressiv verkleinert, und/oder dass mehrere Durchtrittsöffnungen vorgesehen sind.
  5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung bzw. Durchtrittsöffnungen (11d) in Schliessrichtung des Drehschiebers (12) sich keilförmig verjüngend ausgebildet Ist, bzw. sind.
  6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kegelradius (r/R) der miteinander zusammenwirkenden Dichtflächen des Gehäuses (31) und/oder des Drehschiebers (32) entgegen der Schliessrichtung des Ventils über Teile des Umfanges kontinuierlich vergrössert.
  7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (11 d) des Gehäuses (11) auf der dem Drehschieber (12) gegenüberliegenden Seite von einem Wulst (11g) umgeben sind, wobei die Randhöhe des Wulstes (11 g) gegen die Schliessstellung des Ventils hin zunehmend ist.
  8. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Drehschieber (12) über ein Stellglied, vorzugsweise über einen Schrittmotor (17, 37) proportional angesteuert wird.
  9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Drehschieber (12) und dem Stellglied eine lösbare, elastische Kupplung (38) angeordnet ist.
  10. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (12,32) gegen die Rückstellkraft wenigstens einer Torsionsfeder (14, 34)) verdrehbar ist.
  11. Beatmungsgerät zur künstlichen Beatmung, bzw. Unterstützung der Beatmung eines Patienten, mit einem Lufteingang (1), einer Luftquelle (2), wenigstens einem proportional regulierbaren Steuerventil (3a, 3b) sowie Sensoren zur Messung des Drucks (5a, 5b) und des Durchflusses (4a, 4b) zur Ansteuerung des Steuerventils (3a, 3b), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil ein Ventil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10 ist.
  12. Beatmungsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftquelle (2) als ein über einen gesamten Atemzyklus mit konstanter Drehzahl rotierendes Gebläse ausgebildet ist.
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